STEP兼容式数控技术加工研究进展

3 应用技术研究和发展趋势

　　3.1 应用领域的拓展

　　随着STEP—NC在铣削领域的验证和逐渐被接受，研发工作正向着其他工艺领域拓展。表1表示被纳入到STEP—NC研究计划中的主要工艺领域，除铣削和车削工艺外，其他工艺的数据模型尚处于草案状态(DIS，CD或wD)。

　　　　另外，STEP—NC的AIM(通用模型和铣削)也被接受为标准草案(IsO／DIs 10303—238)。为了降低复杂性，AP 238在实际开发过程中被分成四个一致性类(conformance class)供选用：CC1(刀具路径)只包含主要功能单元及应用对象，CC2(刀具路径+几何形状)在cCl基础上加入了工件的几何形状，CC3(基于特征的描述)加入了制造特征的信息，CC4包含了完整的AP 238数据。这四个类都是AP 238的子集，包含的信息范围依次扩大。文献[20]对其中的CC1进行了测试，文中利用AP 238的CC1文件在不同配置的五轴数控机床(内装解释器)上进行了实际零件的加工实验，认为其中的刀位数据具有可移植性。

除此之外，文献[21]研究了STEP—NC在线切割工艺中的应用并开发了一个原型系统；文献[22]研发了快速原型工艺的sTEP—Nc数据模型；文献[23]研究了与雕刻艺术有关的制造特征，并初步定义了有关sTEP_Nc数据模型，期望借助sTEP—Nc实现基于知识的加工策略。这些研究大大扩展了STEP—NC的应用领域。

　　3.2 数控编程爱CAD／CAPP／CAM

　　数控编程实际上是一个工艺规划和程序代码编制的过程。STEP—NC不仅重新定义了数控程序，还意味者数控编程单元和数控加工单元在功能方面的重新划分。文献[24]针对钣金零件研发了一个STEP兼容式计算机辅助工艺设计(computer Ai—ded Process Planning，CAPP)原型系统，旨在采用STEP数据模型实现几何信息和工艺信息的集成；文献[25]研究了STEP-NC车／铣工艺数据的集成问题，主要侧重于车削零件上非回转特征的加工。

　　为了充分利用STEP-NC数据模型的优势，文献[26]提出将非线性规划技术引入到加工现场的基本方案，希望通过数控系统的智能化实现数控加工的动态规划和控制；文献[27]将Agent技术应用到工艺规划中，提出通过MFA(manufacturing featureagent)实现基于特征的工艺规划和编程。

　　为了适应STEP—NC的特殊需要，文献[13]还提出了一种新的现场编程系统SFP(Shop n00r pro—gramming)结构，并实现了一个原型系统，主要用于STEP文件向ISO 14649文件或G代码的转换；文献[14]针对目前的技术状况，提出了基于STEP-NC的三种CAD／cAM实现方案，其中方案1用于在传统CAD／CAM系统中加STEP—NC接口，方案2要求在cAD／cAM系统内提供对sTEP-Nc数据结构的支持，方案3则要求系统本身采用sTEpNc核心数据结构。该文献还按照第二种方案实现了一个基本的原型系统(ABCAM)。考虑到现有商业CAD／CAM软件的需要，sTEP T001s公司还开发了一些软件工具(如ST_Plan)作为这些软件的插件，以辅助实现基于STEP／STEP-Nc的数控编程。这些基本方法和原型系统为基于STEP／STEP—NC的数控编程准备了基础条件。

　　3.3 STEP-NC控制器

　　如果仅考虑数据接口问题，则实现sTEP—Nc控制器最直接的方法，便是在传统数控的基础上加装翻译器和相应的人机界面。其中的翻译器相当于一个通用处理器，负责将sTEP—Nc程序转化为必要的G代码和M代码后再输入Nc内核。基于该方法，欧洲的sTEP_NC研究计划实现了世界上第一台sTEP_Nc控制器原型机(铣削)；文献[15]通过对HERCUs Pc200车床进行改造并开发相应的翻译器，实现了一个车削加工的控制器原型机；文献[17]基于一台简易机床(sAKAI mm250s3)和PC机．实现了一个直接用xML格式STEP—NC程序驱动的数控铣床。

　　这种方法主要有以下不足：①数控系统仍然只是数控程序的忠实执行者，对上游系统的依赖性大；②太部分数据在从sTEP-Nc到G代码的转化过程中丢失，而且数据转化是单向的；③总体上没有充分发挥新数据模型的优势。因此，文献[26]提出了一种智能型sTEP—Nc的框架结构，采用内嵌cAM和动态规划技术，以实现零件的智能加工。在此基础上，文献[28]分析了智能数控的类型，给出了基本的实施策略并提出了将Agent技术用于STEP—NC控制器的基本方案。文献[26]和文献[28]的核心思想是将STEP—NC控制器改造为一个集微观工艺规划与控制功能于一体的集成系统。基于这一基本思想，文献[29]等开发了一个STEP-Nc车削数控系统(TurnsTEP)。TurnsTEP包括代码生成、代码编辑、自治控制等模块，实际上相当于一个cAM／CNC集成系统。TurnsTEP原型机的开发展示了STEP—NC控制器的巨大潜力和优势。但是，由于数控加工的高可靠性要求，智能sTEP—Nc控制器的研发总体上进展缓慢。

　　为了便于在传统数控的基础上实现sTEP—Nc控制器，文献[30]面向实际应用设计了一种称为BNCL(base numerical controllanguage)的低级语言作为sTE卜Nc接口和数控内核之间的桥梁，并提出了一种基于虚拟机BvM(BNCL virtual machine)和虚拟硬件BVH(BNCL virtual hardware)的软件结构。该方案的主要优势在于对多语言环境的支持和系统柔性，从另一个角度为目前的STEpNC控制器研发工作提供了一种参考意见。

　　3.4 相关技术和应用研究

　　文献[31]给出了一个基本的sTEP兼容式检测框架，提出用sTEP—NC检测模型(Iso 14649—16草案)、sTEP AP 219，以及尺寸测量接口标准(Di—mensional Measuring Interface Standard，DMIS)等实现检测方案与加工方案的集成，以便在加工阶段通过对工件的检测，及早发现问题并予以纠正。这种基于统一数据模型的在线检测技术是实现STEP—NC条件下闭环数控加工(规划、加工和检测集成)的重要手段，目前的研究主要集中在探测方案的自动生成和探测工步(Probing—workin98tep)的规划方面。

　　文献[32]则进一步提出利用检测数据进行动态规划，从而形成一个闭环的规划和加工流程(CAPP／CAM／CNC)，并且展示了一个原型系统，文献[33]则探讨了低层数据(数字伺服驱动信息)的回馈方法；文献[34]研发了一个原型系统，采用Agent和神经网络技术获取数控加工单元的信息，以实现对分布式数控加工系统的集成和控制。目前关于检测的sTEP—Nc数据模型尚处于研发阶段。由于sTEP—Nc控制器研发的相对滞后，如何利用传统实现sTEP兼容式数控加工自然也成了一个重要的研究方向。文献[35]研究了基于制造特征(ISO 14649)的零件建模、工艺规划及数控编程技术的集成技术，重点探讨了多智能体技术在工艺规划方面的应用，用Java语言实现了一个原型系统MASCAPP。它直接利用sTEP—Nc的制造特征进行零件(仅包含简单铣削特征)建模，然后生成西门子840D控制器的数控程序。文献[36]则在此基础上针对车铣中心的sTEP—NC数据处理技术，开发了一个基本的CAPP系统，该系统能够根据用户的输入自动生成符合ISO 14649—12的文件，转化为MPF文件后在西门子控制器上执行。

4 结束语

　　近年来，国内外学者在STEP-NC领域进行了许多探索和尝试。关于STEP-NC的实现方法，尽管目前还存在一些争议，但两种方法在技术上都是可行的，下一阶段的主要任务是研发高效且实用的数据处理工具。随着实现方法的日臻完善，应用系统的接口问题自然迎刃而解。从技术角度看，以后的主要任务将集中在：①数据模型的扩展和完善；②高效STEP—NC接口工具的研发；③支持STEP-NC的CAD／CAM系统的开发；④智能化STEP-NC控制器的实现技术}⑤加工阶段知识的获取与回馈，以及有关系统和数据的集成等。